[0001] 本发明涉及一种用于提供热废气的装置以及这种装置的应用，所述热废气用于驱动涡轮机。

[0002] 原则上公知了利用燃烧的热废气运行涡轮机。US 2002/0157881 A1描述了一种结构，在这种结构中，通过由燃烧器激励的涡轮机和发电机为车辆提供电能。现在，US公开文献中的特殊之处在于，燃烧器集成地构造在涡轮机或涡轮机入口壳体中。燃烧器本身在此构造成火焰燃烧器，所述火焰燃烧器提供用于运行涡轮机的尽可能高的温度。现在，在这种结构中缺点在于，这种燃烧器由于温度非常高以及燃烧的可控性比较差而造成不期望的物质、例如NOx排放物的强排放。因此，在US公开文献中设置有一种可选择的催化反应器，所述催化反应器以废气催化器的形式在内燃机之后在涡轮机中在燃烧的热废气减压后将残余转换。这造成在废气中产生一定的残余热，这种残余热必须比较麻烦地通过换热器重新回收。此外，在燃烧器方面优化的紧凑结构通过附加的废气催化器而又增大。

[0003] 此外，从本发明的优选应用领域中公知，燃烧器与涡轮机相组合地安装在燃料电池系统中。

[0004] 例如DE 103 06 234 A1描述了一种用于给燃料电池供应空气的装置。该装置构造成具有电支持的涡轮增压器。为此，在膨胀器或涡轮机的区域中，热气体减压，以便提供至少一部分供应空气所需的能量。为了产生热气体，设置有呈微孔燃烧器或催化燃烧器形式的燃烧器。这种燃烧器燃烧燃料电池的废气并且在需要时可以附加给燃料电池供应燃料。JP 59075571A的日文摘要也公知了一种可比较的结构。

[0005] 这些结构虽然能够在燃料电池系统中提供热气体，但通常不保证完全转换燃料电池的废气中所含有的不期望的全部残余物，例如在使用气体产生系统时碳氢化合物的残余物，如JP摘要中所述，或在使用氢储存器时氢的残余物，如DE文献中所述。这典型地在于，在燃烧器中催化反应的安全可靠的点火通常很难或不能足够再现地实现。

[0006] 因此，本发明的目的在于，给出一种用于提供热废气的装置，所述热废气用于驱动涡轮机，所述装置尽可能地利用在用于驱动涡轮机的可燃烧的气体中存在的化学能量并且在无需其它措施的情况下提供不含有害排放物的废气。

[0007] 根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1特征部分中的特征的装置来实现。根据本发明的装置的有利的进一步构型由从属权利要求得到。根据本发明的装置的特别优选的应用在权利要求8中予以说明，其有利的进一步构型由其从属权利要求得到。

[0008] 因此，根据本发明的解决方案提出，直接与涡轮机连接或完全地或部分地集成地构造在涡轮机或涡轮机壳体中的燃烧器具有燃烧区，该燃烧区具有开孔材料，所述开孔材料具有高的比表面积。这种作为微孔燃烧器或矩阵燃烧器或矩阵辐射燃烧器的结构允许在无明火的情况下实现非常均匀且有效的燃烧。由此，可以以最小的结构空间在直接与涡轮机连接或在所述涡轮机中、例如在涡轮机壳体中集成或以套筒的形式插入涡轮机壳体中的情况下实现非常紧凑的结构。通过矩阵燃烧器或微孔燃烧器的积极特性和由其辐射的热能可实现待燃烧的气体流的几乎全部成分非常有效地燃烧。所述结构在此可极其紧凑且有效地实现。

[0009] 在根据本发明的装置的一种特别有利的实施方式中，具有高的比表面积的开孔材料具有至少一种催化活性材料。因此，燃烧器于是不是构造成纯粹的微孔燃烧器、矩阵燃烧器或类似燃烧器，而是同时构造成催化燃烧器，所述催化燃烧器在无需明火的情况下安全可靠地转换相应的原料。

[0010] 此外，在根据本发明的装置的一种非常有利且具有优点的进一步构型中提出，给燃烧器至少有时提供新鲜空气，其中，燃烧器具有点火装置，通过所述点火装置可以点燃至少新鲜空气和燃料电池的燃料的燃烧。因此，除了燃料电池的废气和至少有时供应燃料之外，也给燃烧器供应新鲜空气。优选与燃料一起供应的所述新鲜空气于是允许通过设置在燃烧器中的点火装置使空气和燃料的燃烧点火。通过在例如流动方向上在真正的燃烧区即例如微孔燃烧器的微孔结构之前进行的这种点火，燃烧器始终安全可靠地通过前置的点火器启动。由此保证例如可以用于驱动涡轮机的期望的热废气始终在其被需要时提供。此外实现燃料和来自燃料电池的废气始终完全可以在燃烧器的区域中转换，由此，没有氢、碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物(NOx)或类似物质的排放物到达燃料电池系统的周围环境。

[0011] 此外，根据本发明的一种非常有利且具有优点的进一步构型可提出，新鲜空气和燃料电池的燃料在流动方向上在点火装置后面并且在燃烧区前面与来自燃料电池的废气汇合。这种结构允许非常可控地且可靠地点燃燃料与所供应的新鲜空气，而废气于是在完成点火后才在达到燃烧区之前或达到时与所述已经燃烧的混合物汇合。这具有优点：与废气的组分无关，在任何情况下均可以获得能点火的混合物，因为在点火装置的区域中仅存在燃料和新鲜空气，其混合比可以相当容易地控制，而不必通过复杂的传感装置例如测定废气中的残余燃料含量和残余氧含量。

[0012] 在本发明的一种作为替换方案的实施方式中提出，新鲜空气和燃料电池的燃料这样引导到点火装置的区域中，使得局部存在可以点燃的混合物。取代气体流在通过相应的分开装置或分开的导电元件点火后才进行的上述汇合，根据作为替换方案的实施方式提出，通过将新鲜空气和燃料定向地供应到点火装置中，在点火装置上局部存在可点燃的混合物。新鲜空气和燃料例如可以通过类似于喷嘴的元件或定向的进气流在提高的压力下这样供应，使得所述新鲜空气和燃料这样流动到点火装置的区域中，使得在这里新鲜空气和燃料的浓度高于存在更多来自燃料电池的废气的周围区域中的浓度。

[0013] 点火装置在此原则上可以按照不同类型来构造。例如可以设想点火装置呈炽热元件的形式，例如作为陶瓷炽热点火器或作为炽热螺旋丝。但特别有效的是通过火花点燃物质混合物的点火装置。通过这种火花安全可靠地以比较小的能量实现空气和燃料的可点燃的混合物的点燃，其中，通过利用火花工作的点火装置可以非常快速地实现点火，而无需预炽热时间等。

[0014] 在一种特别有利且具有优点的应用中，根据本发明的装置用于驱动燃料电池系统中的涡轮机，其中，给燃烧器至少供应来自燃料电池系统的燃料电池的废气。

[0015] 正如从开头所描述的现有技术中所公知的那样，燃烧器和涡轮机安装在燃料电池系统中，以便回收燃料电池系统的废气中的残余能量。这种残余能量于是以压力和热量的形式在涡轮机中转换。涡轮机例如可以驱动压缩机和/或用于提供电能的发电机。此外，从燃料电池系统中这样回收能量具有优点：燃料电池的废气中的残余物质被全部转换，由此，没有碳氢化合物和氢的排放物到达周围环境。理想的是，燃烧器在此构造成催化燃烧器，由此，NOx排放由于在约600℃的比较低的温度下无火焰燃烧而可以得到避免。附图说明

[0016] 从其余的从属权利要求得到根据本发明的装置的其它有利构型，借助于下面参照附图详细描述的实施例对其进行说明。附图表示：

[0017] 图1具有根据本发明的装置的燃料电池系统的第一种可能的实施方式；

[0018] 图2具有根据本发明的装置的燃料电池系统的另一种可能的实施方式；

[0019] 图3根据本发明的燃烧器的第一种可能的实施方式；

[0020] 图4根据本发明的燃烧器的另一种实施方式；以及

[0021] 图5根据本发明的燃烧器的另一种作为替换方案的实施方式。

[0022] 图1和2中描述了燃料电池系统1的两种不同结构，所述燃料电池系统优选、但不是仅仅用于提供热废气的根据本发明的装置。形成燃料电池系统1的核芯的是例如构造成PEM燃料电池组的燃料电池2。在此，燃料电池2的阴极室3和阳极室4通过传导质子的膜片5彼此分开。作为用于运行燃料电池2的氧化剂，典型地使用空气中的氧，为此，空气通过空气输送装置6输送到阴极室3中。给阳极室4供应氢或含氢的气体。在这里所示的实施例中，应从压力气体储存器7给燃料电池2的阳极室4供应氢。在该压力气体储存器7中储存在高压下的氢通过阀装置8供应给阳极室4并且在此减压到适合于燃料电池2运行的压力水平。在将纯氢作为燃料用于燃料电池2时，典型地将所述纯氢以比在燃料电池2的阳极室4中可以转换的体积流量高的体积流量提供给阳极室4。这用于尽可能均匀地给传导质子的膜片5的可供使用的整个活性面供给足够量的氢。未消耗的氢然后从阳极室4通过再循环管路9输出并且借助于再循环输送装置10、例如氢再循环鼓风机和/或气体喷射泵或类似装置与来自压力气体储存器7的新鲜氢一起重新供应给阳极区域4。随着时间的推移，穿过膜片5进入阳极室4中的氮以及在燃料电池2的阳极室4中产生的少量的产物水聚集在再循环管路9的区域中。因为这种惰性物质在燃料电池中不能转换，所以随着时间的推移这种物质降低再循环管路9和阳极室4的体积中的氢浓度。因此，处于再循环管路9的区域中的物质有时通过排出管路11和设置在所述排出管路中的阀装置12排出，以便可以保持阳极室4中的氢浓度。因为在所述排出时通过排出管路11即所谓的清除管路始终也有一定量的残余氢从系统逸出，所以必须对所排出的物质流以稍后还要详细描述的方式进行再处理，以便不允许排放到周围环境。

[0023] 燃料电池3的膜片5对干燥比较敏感。因为通过空气输送装置6输送的空气体积流量典型地是干燥的，所以相应高的空气体积流量会加速膜片5的干燥。因此，在燃料电池系统1中可以设置有例如构造成气体-气体-加湿器的加湿器13。这种加湿器13的核芯是可透过水蒸汽的膜片。由空气输送装置6输送的干燥的气体流在膜片的一侧流动。来自燃料电池2的阴极室3的废气流在膜片的另一侧流动。因为绝大部分产物水在燃料电池2的阴极室3中产生，所以这种废气流相应负载呈水蒸汽和小滴的形式的液体。水蒸汽可以穿过膜片在加湿器13中加湿干燥的输入空气，由此，一方面排出空气可被除湿，另一方面通过加湿的输入空气可以保证燃料电池2的膜片5被加湿。此外，因为不是在所有情况下均期望完全加湿，所以围绕加湿器13、在这里例如在通到阴极室3的输入空气管路的区域中——但原则上也可以类似于在阴极室3的排出空气管路的区域中——设置旁路14。该旁路可以通过阀装置15这样控制，使得流过加湿器13的待加湿的体积流被相应划分。由此可以在阴极室3的区域中实现可以调整的湿度。

[0024] 此外，图1中的燃料电池系统1的结构示出增压空气冷却器16，所述增压空气冷却器同样一方面由空气输送装置6后面的输入空气以及另一方面由来自阴极室3的排出空气穿流。在空气输送装置6后面，所输送的空气相应地热，因为该空气在压缩时相应变热。而来自阴极室3的排出空气较冷。现在，通过增压空气冷却器16，在这两股气体流之间进行换热，由此，输送到阴极室3的空气得到冷却，从阴极室3流出的空气则被加热。通过空气输送装置6后面的经冷却的空气，进一步降低燃料电池的膜片5干燥的危险。在增压空气冷却器16中加入到阴极室3的排出空气中的热量在这里可以得到有益利用，正如后面还要详细描述的那样。

[0025] 来自增压空气冷却器16的被加热的排出空气通过排出空气管路18然后进入燃烧器17，在该燃烧器中所述排出空气可与来自排出管路11的残余氢以及在需要时通过氢管路19和阀装置20与从压力气体储存器7供应的氢一起被转换。此外，通过具有阀装置22的新鲜空气管路21给燃烧器17供应新鲜空气，所述新鲜空气是在空气输送装置6后面从流向阴极区域的输入空气流取出的。在燃烧器17中现在将所述原料在燃烧区23中以燃烧的形式进行转换。燃烧区23在此特别是可以装备具有高的比表面积的开孔材料。燃烧器17因此例如可以构造成微孔燃烧器或矩阵燃烧器构成。

[0026] 由所描述的原料产生的热废气在图1中的燃料电池系统1的实施例中然后进入涡轮机24的区域中并且在该涡轮机24的区域中减压和冷却。由此可以通过涡轮机24从燃料电池系统的热废气流中回收机械能。在这里所示的实施例中，通过涡轮机24可以直接给空气输送装置6提供机械能。此外，可设置有电机25，该电机在涡轮机24的区域中能量相应过剩的情况下可以作为发电机运行，以便从热废气流中附加回收电能。如果空气输送装置需要比通过涡轮机24可以提供的能量多的能量，那么电机25也可以作为电动机运行。在这种情况下，该电机会提供所需的能量差用于通过空气输送装置6输送空气流。由涡轮机24、电机25和在这种结构中典型地构造成透平压缩机的空气输送装置6组成的所述结构总体上也称为电动涡轮增压器26或ETC(Electric Turbo Charger)26。

[0027] 不言而喻，除了这种ETC 26外，也可以设想热废气的其它应用，例如在用于从含有碳氢化合物的原料中通过蒸汽重整、自热重整或诸如此类的重整产生含氢的气体。此外，不言而喻，也可以设想涡轮机24不是设置在ETC中，而是设置在空程(freilaufend)涡轮增压器中，所述涡轮增压器在一侧具有涡轮机24，在另一侧仅具有作为透平压缩机的空气输送装置6。空程涡轮增压器的透平压缩机例如可以形成空气输送装置6的一个级。此外，当然也可以设想按照其它任何类型驱动透平压缩机并且涡轮机24仅与电机25或发电机25耦合。在这种情况下，可以通过涡轮机24提供电能。同样可以设想，由涡轮机24产生的机械能通过相应的传动单元直接机械地用于驱动车辆的辅助机组和/或用于支持车辆的驱动。

[0028] 在此，在燃烧器17中利用来自燃料电池2的区域的全部废气。也可以通过氢管路19和阀装置20有选择地供应氢来有针对性地加热涡轮机。在这种情况下，例如可以实现燃料电池系统1的增强运行，在所述增强运行中，通过将氢填加到燃烧器17中可以暂时通过涡轮机24提供比较高的能量。这种能量然后可以通过作为发电机的电机25转换成电流，所述电流例如可以在车辆系统中使用，以便满足燃料电池2不能足够快速满足的动态功率要求。这例如允许增强运行或在紧急情况下也允许断开燃料电池2时的运行。

[0029] 现在在图2的视图中可以看出一种可对照的系统结构，所述系统结构可以作为上述燃料电池系统1的替换方案来使用。该结构的不同之处基本上在于，围绕燃料电池2的阳极室4不存在再循环管路9。因此，在这种结构中，给阳极室4仅提供低过量的氢，该氢通过在这里不具有阀的类似存在的排出管路11直接供应给燃烧器17并且与来自阴极室3的排出空气一起在该燃烧器中转换。因此在这里进行来自燃料电池2的两股废气流的连续转换，其中，在这里也可以通过氢管路19或新鲜空气管路21供应附加的空气和/或附加的氢。此外，在这种结构中取消了加湿器13以及旁路管路14和阀装置15。视所使用的膜片5的类型而定，这种无加湿的运行有时也可以设想在PEM燃料电池中进行。原则上完全也可以设想可以取消增压空气冷却器16的结构。但这种增压空气冷却器在这里所描述的结构中具有优点：来自燃料电池2的阴极室3的排出空气相应被加热，从而可以给燃烧器17提供热废气流。此外，流向燃料电池2的阴极室3的相应冷却的输入空气流保护膜片5，这特别是在无加湿器13的应用中对膜片5的使用寿命具有优点。由此可以提高燃烧器17的能量利用和废气温度，由此，增压空气冷却器16在这里在膜片5的使用寿命和所使用的能量的利用方面提供优点。

[0030] 此外，在图2的视图中，与具有其阀装置22的新鲜空气管路21并联地可以看出具有阀装置28的可选择的冷却空气管路27。稍后还要对所述冷却空气管路的功能进行详细描述。在根据图2的实施方式的燃料电池系统1的视图中，其结构设置有电动涡轮增压器26，其中，在这里对于电动涡轮增压器26也适用于上面已经详细描述的内容并且该电动涡轮增压器应理解为纯粹举例。

[0031] 现在，图1和图2中所描述的燃料电池系统的重要方面在于燃烧器17的结构。现在，在图3的视图中，可以看出用于提供热废气的装置的燃烧器17的第一种可能的实施例。燃烧器17在图3中所示的最简单的实施方式中这样构造，使得燃烧器17实际上仅由燃烧区23组成。该燃烧区23本身由构造成开孔并且具有高的比表面积的材料构成。该材料例如可以是由无定向纤维制成的针织物、定向纤维的聚集物、例如金属基或陶瓷基的开孔泡沫或开孔烧结材料。此外可以设想，如在后面的实施例中还要描述的那样，燃烧区23由金属材料或陶瓷材料制成的网或织物构成并且构造成所谓的矩阵燃烧器或矩阵辐射燃烧器。

[0032] 在图3的视图中，燃烧器17是催化燃烧器。燃烧区23的材料因此设置有催化活性材料，所述催化活性材料例如精细分布地存在于开孔结构中或以涂层的形式至少覆盖开孔结构的部分表面。作为适用的催化材料例如可以使用钯、铂或类似材料。由于构造成催化燃烧器17，在燃烧器17的燃烧区23的区域中，燃料电池2的向燃烧器17流动的废气供应到燃烧区23的区域中，所述废气在这里作为气体混合物通过箭头表示并且来自或可以来自排出管路11、排出空气管路18、氢管路19和新鲜空气管路21。在那里进行催化反应或催化燃烧，由此，在不形成火焰的情况下，燃料电池2的废气和需要时供应的附加的来自氢管路19的氢中的物质进行转换。催化燃烧在此除了提供约600℃温度水平的热燃烧废气用于驱动涡轮机24外，还保证向燃烧器17流动的气体流中的可燃烧物质几乎完全转换，从而可以在很大程度上避免排放物。

[0033] 此外，在图3的视图中可以看出，燃烧区23集成地构造在涡轮机24的螺旋形的涡轮机壳体29的入口区域中。这种结构允许以最小的结构空间提供涡轮机24和燃烧器17。此外，从燃烧器17向涡轮机24引导热废气体积流量必须经过的距离最小化。由此一方面避免热损失，另一方面可以在很大程度上取消用于管路引导装置的长度的昂贵的耐高温材料。仅涡轮机壳体必须由相应的抗高温材料构成或至少在其内壁的区域中涂覆有例如陶瓷基的这种材料。因此，图3中所示的具有直接集成地构造在涡轮机24上或涡轮机24的涡轮机壳体29中的燃烧器17的结构除了最小的结构空间需求外还允许在高效利用热废气的情况下非常有效地运行。通过燃烧区23的区域中具有高的比表面积的开孔材料的催化涂层，在此实现燃料电池2的废气中所含有的全部可燃烧残余物质完全转换，从而向燃料电池系统1的周围环境不放出有害排放物。

[0034] 在催化燃烧器17中可能的问题可能在于，这种催化燃烧器在确定的运行状况下可能难于点火或只是稍后才达到其所谓的点火温度，由此，未燃烧的物质可以穿过燃烧区23的区域。由此，一方面出现排放物，另一方面，可以有益地转换成热能的物质未经利用地从燃料电池系统1流出。为防止这种情况，如在图4的视图中可看到的那样，涡轮机壳体29中的燃烧器17的结构具有点火装置30。图4的视图中的燃烧器17的结构也构造有具有微孔材料的燃烧区23。此外，通过管路元件31供应来自燃料电池2、即特别是来自排出管路
11和排出空气管路18的废气。通过另一管路元件32供应来自氢管路19的氢和来自新鲜空气管路21的新鲜空气。点火装置30在此设置在管路元件32的区域中，从而在其区域中始终存在可以良好点燃的由氢和新鲜空气构成的混合物。此外，为检查是否点火在点火装置30的区域中也可靠进行，在燃烧器17中可设置有监测电极33，通过所述监测电极可以鉴别进行的点火。

[0035] 图4中所示的燃烧器17在其它方面构造得类似于图3的范围中所描述的燃烧器。在这里呈微孔燃烧器类型也具有开孔材料的燃烧区在此比在图3的视图中更深地集成到涡轮机壳体29中，从而形成一种非常紧凑的结构，在所述结构中，来自燃烧器17的区域的热废气仅须在非常短的行程距离上流动。在这里燃烧区23特别是也设置有催化活性材料，从而燃烧器17构造成催化燃烧器。但在没有催化涂层的燃烧器17中也可以设想可比较的结构。

[0036] 此外，在图4的视图中，在为了转换或燃烧而流动的气体的流动方向上在燃烧区23前面设置有火焰阻隔装置34。这种火焰阻隔装置在此已由一般的现有技术公知并且在各种类型的燃烧器中常用。所述火焰阻隔装置典型地由孔板等构成并且阻止火焰从燃烧器的区域回火到入流气体的区域中。

[0037] 在燃烧器17的一种未示出的实施方案中，作为对两个管路元件31、32的替换方案也可提出，相应的气体流、特别是来自新鲜空气管路21的新鲜空气和来自氢管路19的氢通过喷嘴元件或类似元件也可以这样导入点火装置30的区域中，使得在那里与燃料电池2的已经与新鲜空气和氢混合的废气无关地保证可点燃的混合物。这种方案可以取消通过两个分开的管路元件31、32进行供应并且需要时可以构造得更紧凑。

[0038] 现在，在图5的视图中示出燃烧器17的另一种可能的实施方式。在这里，燃烧器17也在很大程度上集成地构造在涡轮机24的涡轮机壳体29中。燃烧区23构造成矩阵燃烧器或矩阵辐射燃烧器的燃烧区。这意味着，燃烧区23构造成由织物或网、典型地金属基或陶瓷基的织物或网构成的典型地拱曲的元件。例如燃烧区23可以是球缺、圆柱体或锥体的一部分。在这里形成燃烧区23的矩阵的材料同样可以具有催化材料，例如在所述催化材料中，用于形成织物或网的所使用的纤维的一些或全部具有催化涂层。正如在矩阵燃烧器中常见的那样，燃烧通过点火装置30点火在燃烧区23的背离入流气体的侧进行，正如这里所示的那样。此外，不言而喻，此前已经描述的监测电极33在这里也可以存在，以监测安全可靠的点火。此外，在燃烧区23与入流气体之间的区域中存在可选择的火焰阻隔装置34。

[0039] 现在，根据图5的燃烧器17的结构是这样的，即通过管路元件31，来自燃料电池2的阴极室3的排出空气管路18的排出空气与来自排出管路11的残余氢一起入流。通过在这里从上面伸入管路元件31的区域中的另一管路元件32供应来自氢管路10的氢和来自新鲜空气管路21的新鲜空气。管路元件32在此在其端部上以喷嘴的类型来构造，从而新鲜空气和氢比较直接地导入点火装置30的区域中，以便在这里在形成燃烧区23的需要时催化涂覆的矩阵燃烧器上实现燃烧的安全可靠点火。此外，除了在前述附图中已经可比较地描述的这种结构，在根据图5的燃烧器17的结构中还存在第三管路元件35，通过所述第三管路元件可以供应来自在图2的范围内所描述的冷却空气管路27的区域的冷却空气。
这种冷却空气在确定的运行状况下可导致通过相应的过量空气降低燃烧的温度，从而例如不超过涡轮机24和/或燃烧区23的允许的运行温度。由此，在另外保证所使用的原料完全燃烧的情况下，可以防止例如燃烧区23的催化涂层由于过热而损坏。

[0040] 燃烧器17的所有结构在此均极为紧凑并且可以要么直接集成地构造在涡轮机壳体29中，要么直接与涡轮机壳体连接。此外可以设想，燃烧器17构造成独立的套筒的形式，所述套筒在装配时才插入涡轮机壳体29的入口区域中。